Высокопрочные болтовые соединения
|
При рассмотрении высокопрочных болтовых соединений 1 возникают следующие проблемы: - разработка надежных методов расчета внецентренно загруженных болтовых соединений: - расчет болтов с учетом разброса величины крутящего момента при их затяжке механическим гайковертом; - учет при расчете процессов обжима; обеспечение качества продукции при массовом изготовлении болтов. Если болт нагружен слитком сильно, то он разрушается почти всегда по резьбе, а не по стержню. Соответствующие оптико-механические испытания (рис. 11.1), проведенные в Институте механики Технического университета г. Мюнхена, показали, что первый виток резьбы, считая от головки болта, воспринимает значительно большее усилие, чем витки, находящиеся под ним; практически работают только первые витки.  При исследовании распределения усилий в отдельных витках резьбы были установлены концентрации напряжений в основании резьбы у ножки зуба, зависящие от радиуса закругления зуба; такие концентрации уже при незначительной внешней нагрузке перегружают материал в точках их возникновения. В процессе развития технологии требуется дальнейшее повышение несущей способности болтовых соединений. Пример 11.1. Рассмотрим последствия, вызванные разрушением болтов, на примере стальной конструкции покрытия (рис. 11.2 и 11.3), выполненной в виде двухпоясной пространственной трубчатой стержневой системы. Применение таких конструкций в соответствии с ДИН 1056, ч.9. п.1.4 допускается при преимущественно статической нагрузке, вызывающей в стержневой системе в основном нормальные усилия. После полного завершения монтажных работ в зоне нижнего пояса наблюдался прогиб, значительно превышающий расчетное значение. Прогиб, измеренный в момент разрушения при нагрузке, которая составляла около 50% от полной, был равен 21 см; расчетный прогиб, равный сумме прогибов от постоянной (собственный вес) и временной (снег и лед) нагрузок, составлял 22,0 см:   При последующем осмотре были обнаружены три ненапряженных стержня нижнего пояса, а также три разрушенных болта (высокопрочный болт с гальванической оцинковкой M 56-0,9). Как и ожидалось, в местах разрушений заметно изменение напряженного состояния из-за нового направления усилий и наблюдаются деформации соседних стержней (рис. 11.4). Для нахождения причин разрушения болтов и связанного с ними недопустимо большого прогиба необходимо решить следующие вопросы: а) о прочностных свойствах болтовой стали, в том числе о прочности на растяжение, величине удлинений, величине ударной вязкости для элемента с надрезом; б) о влиянии надреза и концентрации напряжений; в) об обжиме болтов (осадка и проскальзывание болта); г) о защите от коррозии и предотвращении возрастания хрупкости материала болта под действием водорода. После оценки результатов проведенных испытаний, измерений и расчетов можно сделать следующие выводы. Результаты соответствующих отчетов об испытаниях противоречивы (с одной стороны, водородная хрупкость, с другой - перенапряжения). Однако они позволяют получить общую картину, поскольку по данным обоих испытаний прочностные свойства стали и в том числе допускаемые значения ударной вязкости не исчерпаны ни для нового, ни для разрушенного болта. Достигнутые максимальные значения составляют в данном случае 4,2—4,4 кг*м/см2, минимальные значения - от 3,0 до 3,5 кг*м/см2, в то время как допускаемые значения составляют от 6 до 5кг*м/см2. Как известно, надрезы в нагруженных строительных конструкциях вызывают изменение эпюры распределения напряжений и возникновение пиков, которые приводят к хрупкому разрушению, если они не могут быть сглажены за счет пластических деформаций, причем отношение пиков напряжении к номинальным напряжениям, полученным при элементарном расчете на прочность, составляет не менее 2, а чаше равно 3. При этом принимается, что восприятие концентрации напряжений осуществляется материалом за счет внутренних резервов. Однако разрушения чаще всего возникают там, где имеют место наиболее значительные концентрации напряжений. К таким участкам относятся места естественных надрезов болта, т.е. его резьба, переход от головки болта к стержню, участки, прилегающие к поврежденной поверхности или имеющие трещины, возникшие при закалке (см. рис. 11.1). При рассмотрении осадки болтов, проскальзывания и обжатия исходят из еле дующих предпосылок: понятие "осадка болтов" не является общеупотребительным; оно может во всех случаях трактоваться как осадка для установки болтов с потайными головками. То же действительно и для понятия "проскальзывание болтов". Проскальзывание означает скольжение соединений, которые передают поперечные силы через трение в разделительных швах; это понятие также используется как технический термин для болтовых соединений, однако для понятия "проскальзывание болтов" нет однозначного определения. Понятие "обжатие болтов" должно вытекать из понятия "податливость болтовых соединений", под которым понимаются потери предварительного напряжения, возникающие из-за выравнивания неровностей резьбы и деформаций в напряженных разделительных швах. Величины осадки (обжима) и потерь усилий предварительного напряжения зависят от прочности на сжатие напряженных деталей, шероховатости поверхностей трения и направления нагружения (поперек оси болта нагружение почти вдвое больше, чем вдоль оси). Величина осадки складывается из следующих составляющих: 1) осадка в резьбе независимо от класса прочности 5 мкм; 2) осадка в каждом разделительном шве при полной растягивающей нагрузке в направлении оси болта: для гладких поверхностей 2 мкм, для шероховатых поверхностей 4 мкм; 3) средняя осадка ка один разделительный шов при нагрузке, перпендикулярной оси болта, или комбинированных нагрузках: для гладких поверхностей 4 мкм, для шероховатых поверхностей 8 мкм. "Осадка" болтовых соединений возможна в принципе и для гальванически оцинкованных болтов. Она составляет около 1/30 от общего прогиба и практически может не учитываться по сравнению с допустимой в рассматриваемом случае величиной внешнего прогиба конструкции. Часть прогиба, приходящегося на "осадку", составляет всего 7 мм, т.е, 3% (7%) общего прогиба, а часть прогиба, приходящаяся непосредственно на разрушение болта, составляет 97% (93% для 10,5 см) от измеренного дополнительного прогиба. Решающее значение для возникновения прогиба, превышающего допускаемые размеры, наряду с постоянными нагрузками (в большинстве случаев от собственного веса) имеет разрушение болтов и связанное с этим внезапное перераспределение нагрузок. Для защиты от коррозии, как указано в нормах, при травлении и оцинковке болтов по возможности должно быть предотвращено возникновение водородной хрупкости. Кроме того, в нормах предлагается проводить проверку правильности изготовления (качества) конструкций и деталей путем собственного и внешнего контроля. В рассматриваемом случае результаты исследований показали, что гальваническая оцинковка при неправильной обработке поверхности приводит к неблагоприятным изменениям в материале болта из-за внедрения водорода и повышения хрупкости, вызывающей снижение прочности (пониженная вязкость и деформативность, а также хрупкий излом при перегрузках). Подводя итоги, можно отметить, что возникшие прогибы значительно превышают расчетные данные и являются результатом недостаточно объективного прогноза, сделанного без учета особых обстоятельств; эта прогибы являются следствием разрушения болтов из-за дефектов материала (водородная хрупкость из-за неправильной обработки поверхности и др.). Болты не обладают требуемыми механическими характеристиками, такими, как прочность на растяжение, величина удлинений, а также ударная вязкость (это подтверждено техническими испытаниями). С достаточной надежностью установлено, что разрушение болта происходит на начальном участке резьбы в результате отрицательного влияния надреза. Пластические деформации здесь больше невозможны из-за водородной хрупкости материала (картина, характерная для хрупкого излома). Также надежно установлено, что в непосредственной близости от места разрыва болта могут возникать дополнительные динамические нагрузки, вызванные резким высвобождением кинетической энергии. Эти нагрузки вызывают упругие, а иногда и пластические деформации и значительные, местные перегрузки (подтверждается тремя трещинами в непосредственной близости друг от друга). Невозможно оценить вероятность появления дальнейших трещин в дефектных болтах и связанных с ними последствий. Фирма стоит, с одной стороны, перед необходимостью предотвращения новых разрушений и ликвидации возникших дефектов, а с другой -должна обеспечить тщательность изготовления и соответствующую надежность конструкции. Эти обстоятельства требуют проведения немедленного ремонта путем разгружения несущей конструкции подпорками с последующим "дополнительным натяжением" поврежденных стержней, а также, если необходимо, И часта остальных растянутых стержней, расположенных на нижнем поясе несущей конструкции. Из общего числа стержней, нижнего пояса (702 шт.) 116 стержней были заменены, что соответствует числу болтов 2416 - 232 шт. Пример 11. 2. Речь идет о стальном арочном павильоне из облегченных конструкций, сконструированном и рассчитанном в виде оболочки (рис. 11.5 и 11.6). Площадь застройки 600 м2. Основные размеры: ширина 21,69 м, высота 8,412 м, длина 27,822 м. Составные элементы: стержни оболочки из холоднокатаных профилей с толщиной стенок от 3 по 3.5 мм; узлы и торцовые фермы показаны на рис. 11.5.  Соединительные детали - стандартные -высококачественные оцинкованные болты M 30. Кровля выполнена из листов из волнистой стали St37 толщиной 0,63 мм. Фундаменты: опирание на бетонные плиты, уложенные на расстоянии 2,764 м; давление на основание 2 кс/см2 (передача давления на грунт без фундаментов). Временные нагрузки: в расчет включались снеговые нагрузки 75 кге/м2 и веторовые нагрузки 50 кге/м- (соответствует скорости ветра 28,3 м/с, т.е. шторму). Монтаж заказчик выполнял собственными силами при надзоре монтажного мастера фирмы-изготовителя. Рассматриваемая постройка из-за сильного снегопада получила значительные деформации (прогибы, продольный изгиб и закручивание отдельных стержней, разрушение болтов, а также перемещения в продольном и поперечном направлениях) на юго-западной стороне (рис. 11.7-11.10). Повреждения могли быть вызваны следующими причинами: неправильной конструкцией; ошибками статического расчета или влиянием неучтенных нагрузок; дефектным монтажом; неудовлетворительным качеством материала стержней или болтов. Конструкция оболочки в виде стержневой сети в принципе возможна; однако необходимо обратить внимание на то, что очень часто жесткость в перпендикулярном к образующей направлении недостаточна, и поэтому имеется опасность выпучивания. Кроме того, возникающие деформации существенно изменяют статические условия. Общая проверка основного расчета без детальных исследований прежде всего приводит к заключению, что не был рассмотрен случай одностороннего расположения снеговой нагрузки. В связи с этим не учтено повышение напряжений от 6 до 35% в стержнях, находящихся у конька. Однако эти стержни не имеют заметных деформаций или надломов. При рассмотрении результатов температурных наблюдений Немецкой службы погоды за последние 10 лет можно установить, что максимальная толщина свежевыпавшего снега, возможная в районе строительства, составляет около 1,5 м (в сумме), минимальная температура равна -38°С, а глубина промерзания достигает 75 см. Вследствие этого, как уже указывалось, нагрузки для снега при новом строительстве и реконструкции увеличиваются примерно вдвое.  Что касается монтажа, то из-за недостаточной квалификации рабочих не были точно выдержаны необходимые монтажные требования (см. далее результаты внешнего осмотра). Материал стержней (элементов оболочки) имеет прочностные свойства, характерные для группы материалов St37 с относительно низким удлинением, равным 18-23%, и может считаться пригодным для применения в рассматриваемом случае; в то же время материал болтов по результатам испытаний явно не отвечает установленным требованиям. Атмосферные условия. По данным службы погоды Мюнхенского управления в день аварии погода характеризовалась следующими показателями: очень слабый ветер (10-15 км/ч - 2,8-4,2 м/с) северного или восточного направления с переходом в заметный ветер (20-25 км/ч = 5,5-7 м/с). Принятое в расчете ветровое давление 50кгс/м- (для расчетной высоты 0,8 м, фактически - 8,412 м) соответствует скорости ветра 28,3 м/с (фактическая скорость ветра максимум 7 м/с). Наружная температура на 1-11°С ниже температуры в помещении.  В рассматриваемый момент выпал слой свежего снега толщиной 35 см (рыхлый снег): плотность порошкообразного снега 0,050 т/м3, нормального 0,100 т/м3, сырого до 0,500 т/м3. Таким образом, снеговая нагрузка 75 кгс/м2, включенная в расчет, соответствует высоте снежного слоя, превышающей 50 см (фактическая толщина снега 35 см). Результаты внешнего осмотра. Внешний осмотр и оценка возникших разрушений позволяют сделать следующие выводы. Во всех торцовых фермах крайние диагональные стержни нижнего пояса сдвинуты вниз к точке опирания примерно на 11 см и закреплены болтами в новых отверстиях (вторая пиния прогонов, считая от точки опирания). В результате этого стандартный стержень толщиной 3 мм вытягивается на 10 см вниз и закручивается. Болты на краях ферм, а также во многих других точках затянуты не полностью (не хватает 1,5 оборота) - пружинные шайбы имеют зазоры; в точках крепления воздушный зазор достигает 3 мм. Вследствие этого наблюдаются провес нижнего пояса и снижение жесткости. Крепежные болты (стандартные болты M 30) стержней 1, 2, 3 и 4 (толщина 3 мм) разрушены в узловых точках; сами стержни не имеют заметных деформаций. У трех болтов заметен крупнокристаллический излом, в двух случаях по резьбе (рис. 11.11) и в одном - по головке. На трех других болтах не видно внешних дефектов, но имеются выколы в основании резьбы. Четыре стержня повреждены - имеется прогиб в центре; эти стержни изогнуты в продольном направлении, соединительные болты в узлах разрушены.  В местах установки балок над воротами расширены отверстия (отступление от проекта). Глубина вмятин на юго-западной стороне покрытия составляет чаще всего 1,0 м. В результате возникают снеговые мешки, приводящие к перегрузке 100%. Результаты испытаний материалов. Шесть болтов и два стержня оболочки, отобранные для испытаний, были использованы для определения свойств материала. Прежде всего предполагалось определить химический состав материала болтов и их ударную вязкость и провести металлографическое исследование. Затем намечалось определить прочность на растяжение профильного материала и провести его металлографическое исследование. Химический состав определялся для разрушенного и неразрушенного болта. Результаты анализа приведены в табл. 11.1.   Как видно из результатов анализа материала болтов, речь идет о томасовских кипящих сталях. Из двух разрушенных, одного разорванного и одного дефектного болта были сделаны образцы с надрезами для испытаний на ударную вязкость, по ДИН 50115 (образцы DVM). Эти образцы были испытаны при температуре +20°С и 0°C (табл. 11.2). Из выпучившегося закругленного профиля и из профиля, не потерявшего устойчивость при продольном изгибе, было изготовлено по три стержня для испытаний на растяжение согласно ДИН 50114. Результаты испытаний приведены в табл. 11.3. Из разрушенного и неразрушенного болтов, а также из выпучившегося профиля были сделаны продольные шлифы. Структура разрушенного болта (рис. 11.12) представляет собой крупный феррит. Углерод представлен исключительно в виде карбида железа, вкрапленного между зернами, и выродившегося перлита. Такая структура считается благоприятной для возникновения хрупкого разрушения при пространственных и особенно ударных нагрузках. В зоне разрушения в феррите можно наблюдать образование кристаллических пластинок-двойников (рис. 11.13), которые указывают на ударное разрушение при температурах более низких, чем в помещении.  Структура неразрушенного болта (рис. 11.14) более благоприятна. Наряду с крупным ферритом имеются только отдельные зерна карбида железа. Углерод здесь в основном представлен пластинчатым перлитом. Выпучившийся профиль (рис. 11.15) имеет в основном мелкозернистую структуру. Углерод в этом профиле представлен карбидом кальция, вкрапленным между зернами. На основании структуры стержня можно сделать вывод, что здесь использовалась кипящая сталь с содержанием углерода менее 0,1%. Исследования показали, что применялись болты из томасовской кипящей стали. Высокое содержание азота указывает на чувствительность материала к старению. Исключительно низкие значения ударной вязкости образцов с надрезами являются доказательством малой деформативности, что также подтверждается крупнокристаллическим изломом.   Структура разрушенного болта представляет собой феррит с карбидом железа, вкрапленным между зернами, что благоприятствует возникновению хрупкого разрушения при ударных нагрузках Образование двойных кристаллических пластинок в зоне разрушения указывает на ударное разрушение при температуре, более низкой, чем температура в помещении. Изогнутые профили изготовлены из материала, который с трудом может быть отнесен к группе материалов St37. Он имеет относительно низкое удлинение, составляющее от 18 до 23%. Исходя из изложенного выше, можно назвать следующие причины разрушений: - дефектный монтаж, который дополнительно уменьшил жесткость всей конструкции, составленной из гибких элементов, и поэтому облегчил "сжимание". Из-за несоблюдения монтажных допусков и отклонения размеров отдельных конструктивных элементов нельзя предъявить никаких претензий к фирме-изготовителю; - выход из строя крепежных средств и болтов вследствие недостаточно высокого их качества. Применение стали, чувствительной к старению, с исключительно низкой ударной вязкостью и малой деформативностью в рассматриваемом случае при температуре от -1 до -3°С ведет к хрупкому разрушению, в результате чего отдельные стержни оболочки выключаются из работы, что вызывает выпучивание всей конструкции в различных направлениях. Остальные факторы (конструкция и расчет) не рассматриваются из-за незначительного их влияния на полученные результаты.  |
